◎ 徐建勇 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院錢麗英 李仁智 浙江浙交檢測有限公司劉旭 王福喜 河海大學巖土工程科學研究所
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海域公路路基沉降特性研究
◎ 徐建勇浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院
錢麗英 李仁智浙江浙交檢測有限公司
劉旭 王福喜河海大學巖土工程科學研究所
摘要:海域公路路基通常面臨高填方、地質(zhì)條件差等多重不利因素的影響,導致其工后沉降偏大,影響正常使用。對工后沉降較大的路基進行一定的預拋高處理,將有效節(jié)約路面后期使用及維護成本;而進行預拋高計算的關(guān)鍵,在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預測。利用土體固結(jié)理論推導建立的土體固結(jié)預測模型,已是陸域公路沉降預測常用的方法之一;通過對海域公路路堤應用該計算模型進行分析與預測,對工程建設(shè)提出合理化建議,并以工后一年的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗該計算模型,得出結(jié)論:該計算模型在海域公路路基沉降預測中,具有較好的準確度。本文在此預測模型基礎(chǔ)上利用SP1.0軟件編制沉降預測程序,并通過某實際工程驗證了程序的準確性。
關(guān)鍵詞:固結(jié)理論 沉降預測 預拋高 海域路堤
隨著國內(nèi)、國際貿(mào)易的進一步發(fā)展,國民經(jīng)濟對港口的需求也越來越高。由于大陸海岸線水深限制,許多深水港只能建在近海的島嶼上,那么其疏港公路的海域部分通常會有海域路堤或跨海大橋形式。其中海域路堤兩側(cè)臨海,通常面臨著高填方及深厚軟土的雙重影響,加上項目建設(shè)周期有限,使路堤的沉降量在施工期無法充分發(fā)生;這些因素將導致路堤工后沉降偏大,路面、防浪墻標高低于設(shè)計值,致使疏港公路在風大潮高期無法正常使用。在施工期(預壓期)較為有限的情況下,適當對路堤進行預拋高處理,將有效的節(jié)約后期路堤的使用及維護成本,提高工程質(zhì)量。
目前路堤沉降的監(jiān)測資料分析、預測主要方式有兩類:①通過監(jiān)測資料時間序列的變化趨勢預測海堤工后沉降的過程,如經(jīng)驗公式法、Asaoka法、灰色理論等己在該領(lǐng)域得到了應用,但這些模型的參數(shù)概念并不清楚,缺乏對土體沉降機制上的認識;②對采集的土樣進行室內(nèi)土工試驗,確定地基土的固結(jié)系數(shù)后,通過太沙基固結(jié)理論推求現(xiàn)場土層沉降過程。由于室內(nèi)試驗條件與現(xiàn)場土層條件、荷載分布情況存在較大差異,且室內(nèi)土工試驗受到取土質(zhì)量、試樣代表性、試驗技術(shù)水平及計算方法等各因素的影響,造成室內(nèi)試驗得到的固結(jié)系數(shù)與實際情況有較大出入,從而影響海堤沉降預測結(jié)果的可信度。此外,目前路堤沉降研究對象多為陸域公路路堤,而直接對海域路堤的研究較少。
本文依托某實際工程段海域路堤部分為研究對象,就嘗試以基于土體固結(jié)理論建立起來的計算模型,來分析并預測海域路堤沉降的發(fā)生過程及趨勢,對路基路面施工提供合理化建議,并評估計算模型的適用性。
某實際工程2標段大部分路堤和3標段全部路堤均為海域路堤段,該段采用二級公路標準,設(shè)計速度為80km/h,路基寬度12.0m。本文針對這兩個標段的分界點K5+500斷面進行沉降分析預測。
2.1斷面地質(zhì)概況
圖1 項目概覽
圖2 工程地質(zhì)縱斷面圖
圖3 K5+500橫斷面斷面設(shè)計示意圖
2.2斷面設(shè)計概況
K5+500路基橫斷面兩側(cè)各設(shè)有2級反壓護道,總寬達130m,路基面寬為12m;軟基處理方式為塑排板+等載預壓,塑排板處理深度30m(未打穿軟土層),間距1.2m;該觀測斷面設(shè)置5個沉降觀測點。其斷面示意圖如下:
該路段路面設(shè)計高程7.92m,設(shè)計預壓方式為等載預壓,考慮到后期沉降補方因素,于2013年初將預壓荷載填至8.5m左右。至2014年中預壓期結(jié)束時,路面高程降至8.1m左右,此時路基路中沉降速率仍有20mm/月。這樣情況下直接卸載鋪設(shè)路面,可能導致工后沉降偏大,影響路面標高,后期用瀝青層加鋪代價較大,這種情況下對路基進行預拋高是比較經(jīng)濟的選擇。
3.1太沙基固結(jié)理論
早在1925年,太沙基就建立了單向固結(jié)基本微分方程,并獲得了一定初始條件和邊界條件下的解析解,這一方程迄今仍被廣泛應用。
多級加載下,天然地基平均固結(jié)度按下式計算:
其中:h為土層最大豎向排水距離,單面排水情況即軟土層的厚度;Cv為土體豎向固結(jié)系數(shù)。
多級加載下,砂井打穿軟基平均固結(jié)度按下式計算:
式中 bsz——計算參數(shù)函數(shù),
其中:Th為土體水平固結(jié)時間因子,
FJ、G分別為考慮涂抹和井阻效應的因子。
3.2平均固結(jié)度表達式
在海域公路路基通常為深厚軟基,多為砂井未打穿軟土層情況,其多級加載平均固結(jié)度按下式計算:
多級加載平均固結(jié)度按下式計算:
式中:U1、U2——分別為砂井處理層與下臥層的固結(jié)度。
整體平均固結(jié)度的求解:
因為海涂通常地址為深厚軟土,故假設(shè)壓縮層軟土為均質(zhì),且計算深度取值夠深,則路堤荷載產(chǎn)生的有效應力按三角形分布,根據(jù)分層總和法有:
設(shè)處理層沉降量對總沉降量的貢獻率為 q ,則
其中:S、S1、S2——分別為總沉降量、處理層沉降量和下臥層沉降量。
于是可得地基整體平均固結(jié)度,
以 ax,bz,bsz為參數(shù)進行反演,便可得到塑排板未打穿軟土層時地基平均固結(jié)度的計算公式。
4.1程序界面及使用
軟件功能及使用方法簡介:
程序運行后,得到圖4界面;在“數(shù)據(jù)管理總表”中可羅列需要計算和管理的段落號,鼠標右鍵點擊總表可對段落信息進行“添加”、“編輯”、“刪除”操作。
雙擊段落號對應的“表頭”可以打開該段落數(shù)據(jù),并可在“標簽管理”中選擇需要查看段落數(shù)據(jù)。
選擇需要查看的段落數(shù)據(jù)后,便得到圖5界面。在樁號列表中羅列已經(jīng)記錄的樁號斷面資料,點擊列表中的樁號可分別查看各樁號詳細信息。
在地基處理方式信息欄中,選擇地基處理方式,包括“天然地基”、“塑排板”、“柔性樁”和“剛性樁”。在計算塑排板處理地基時,“直徑”應輸入等效直徑。計算深度一般取可壓縮土層厚度。設(shè)計使用荷載為路堤荷載加上路面結(jié)構(gòu)物換算荷載,該參數(shù)用于計算超載比,若不需要計算有效超載比,該項可不填或隨便填一個非“0”值。
圖4 程序操作界面
圖5 數(shù)據(jù)總表
圖6 編輯數(shù)據(jù)
圖7 標段數(shù)據(jù)打開
圖8 樁號列表
圖9 地基處理方式信息欄
圖10 加載信息輸入表
圖11 預測方式信息欄
圖12 結(jié)果輸出表
圖13 功能鍵
圖14 狀態(tài)欄
在荷載信息欄中,填入荷載變化信息。需要注意的是:結(jié)束天數(shù)≥開始天數(shù),并且小于下一級荷載的開始天數(shù)。當某一級荷載填筑開始天數(shù)=結(jié)束天數(shù),就認為該級荷載為瞬時加載。
在預測信息欄中輸入預測參數(shù)。其中“控制標準”用于預測路基的穩(wěn)定,范圍0~8,當選擇控制標準為“0”時,程序不進行路基穩(wěn)定分析。“預測點個數(shù)”范圍為10~50,“步長”為兩個預測點間相隔的天數(shù),范圍10、15、20……90。
空程序默認從最后一次實測數(shù)據(jù)開始預測,步長為預測點間隔,單位為(天)。例如:某斷面最后一次實測數(shù)據(jù)為第200天,步長設(shè)為30,則預測點天數(shù)為230、260、290……。若需要較大預測點天數(shù),可以在結(jié)尾中填入想要的天數(shù)。例如,想預測15年后沉降量,和無窮天后沉降量,則可以在“結(jié)尾”處輸入“5500100000”;各數(shù)從小到大排列,以空格符分開,個數(shù)小等于預測點個數(shù)即可。
在沉降預測欄中,需要手動填入實測天數(shù)和對應的沉降量,即圖12中框起的部分。其它數(shù)值均為計算所得,無需填寫。程序計算結(jié)果將顯示在此表中。
程序計算界面提供3個功能按鈕,分別為“計算”、“繪圖”、“保存”。
當實測數(shù)據(jù)輸入完畢后,點擊“計算”進行沉降預測計算,并根據(jù)需要分析路堤穩(wěn)定性?!袄L圖”按鈕提供將計算結(jié)果輸出到Excel文件,并自動繪出沉降與加載曲線。
計算分析完畢后,在界面狀態(tài)欄中顯示計算過程內(nèi)部參數(shù)的取值。供研究人員對計算結(jié)果進行人工分析,以便獲得更準確的計算結(jié)果。
4.2程序準確性驗證
選取申嘉湖高速公路練杭段3個代表性斷面,分別使用SP1.0進行沉降預測,結(jié)果如下:斷面1,K6+515。地基處理方式:直徑16cm塑料套管樁,處理深度19m間距1.7m。采用符合地基預測模型,根據(jù)工程地質(zhì)資料,計算深度取值25m。通過448天的觀察數(shù)據(jù)進行預測結(jié)果如圖15。最后觀測數(shù)據(jù)為747天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。
圖15 K6+515時間-荷載-沉降量關(guān)系圖
圖16 K10+980時間-荷載-沉降量關(guān)系圖
圖17 K28+370時間-荷載-沉降量關(guān)系圖
圖18 實測沉降預測沉降曲線對比
斷面2,K10+980。地基處理方式:塑排加超載預壓,塑料排水板打設(shè)深度22米間距1.4m。采用塑排(砂井)地基預測模型,根據(jù)工程地質(zhì)資料,計算深度取值32m。通過554天的觀察數(shù)據(jù)進行預測結(jié)果如圖16。最后觀測數(shù)據(jù)為916天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。
斷面3,K28+370。地基處理方式:水泥攪拌樁樁長12m,間距1.3m。采用復合地基計算模型進行沉降預測。根據(jù)工程地質(zhì)資料,取計算深度15m。通過375天沉降觀測數(shù)據(jù)進行預測,結(jié)果如圖17。最后觀測數(shù)據(jù)為661天,從圖中可以看出,預測模型能較好的計算得到沉降發(fā)展曲線。
以上3個案例分別從復合地基和砂井地基的角度對程序的準確性進行佐證。其預測相關(guān)性均高于0.99,充分體現(xiàn)了SP1.0的優(yōu)良可靠性。
利用根據(jù)上述計算理論編制的程序,結(jié)合K5+500斷面3年多的沉降觀測資料進行分析預測,結(jié)果可見圖18。
該路段預壓期于2014年6月結(jié)束開始路面施工,該路段為了減少工后路面的維護成本,對路基進行了預拋高處理,拋高35cm,設(shè)計沉平時間為3年,并于2014年8月完成路面施工。從2014年8月至2015年8月的一年內(nèi)實測工后沉降數(shù)據(jù)看,預測沉降量為17.2cm,實測沉降量為16.5cm,預測沉降與實測值較為貼近。預測至2017 年8月,路基工后沉降量為34.5cm,基本滿足預拋高設(shè)計要求。
該項目多數(shù)其它路段沉降預測效果與K5+500斷面類似,本文不再贅述;個別斷面因沉降板被破壞,沉降觀測記錄不完整,對其所進行的沉降預測效果一般。
在高填方、深厚軟基的海域路堤的施工中,由于荷載高和土質(zhì)差等多重因素,導致路堤的沉降收斂過程可能非常緩慢,在沒有充裕時間進行堆載預壓的情況下,通過對路基進行適當?shù)念A拋高,可以有效降低使用后期的維護成本,確保工程質(zhì)量。進行預拋高計算的關(guān)鍵在于對路堤沉降發(fā)展趨勢的預測。
本文針對某實際工程段K5+500斷面,利用3年多的實測沉降數(shù)據(jù),應用基于土體固結(jié)理論推導建立的土體固結(jié)預測模型,分析預測該斷面的工后沉降,并提出該路段相應路基預拋高值;后經(jīng)過工后一年的沉降觀測數(shù)據(jù),檢驗了之前工后沉降預測的準確性;這說明,在有較完整沉降觀測記錄的情況下,此預測模型有著較好的沉降預測準確性,該模型能夠適用于高填方、深厚軟基的海域路堤工況;并且針對該預測模型,本文利用SP1.0軟件編制沉降預測程序,通過申嘉湖高速練杭段驗證了程序的準確性,證明該程序能適用于不同的地基處理條件如:天然地基、排水板地基、復合地基(柔性樁、剛性樁)。
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